基于PLC雙電源開關(guān)設(shè)計的研究

王進才

摘要：礦井電氣控制技術(shù)的先進性直接影響到礦井的生產(chǎn)及其安全等各個方面，在礦井生產(chǎn)中不間斷供電是生產(chǎn)的首要條件，所以本設(shè)計主要應(yīng)用先進的PLC（可編程控制器）技術(shù)對這個問題進行闡述。在礦井生產(chǎn)中需要用兩路電源來保證電的可靠性，采用PLC解決這類問題具有獨特的優(yōu)勢，故采用基于PLC的雙電源開關(guān)設(shè)計，用以實現(xiàn)雙開關(guān)的自投自復(fù)、缺相和欠壓保護等。

關(guān)鍵詞：PLC，雙電源開關(guān)

1 基于PLC雙電源開關(guān)總體方案設(shè)計

雙電源開關(guān)用在礦井緊急供電的雙電源系統(tǒng)中時，當一路電源（主電源）出現(xiàn)故障時，另一路電源（備用電源）可以實現(xiàn)快速、自動地投切轉(zhuǎn)換，這是雙電源開關(guān)的基本功能。而基于PLC的雙電源開關(guān)，不僅要實現(xiàn)上述功能，而且要對三相電源各相進行缺相檢測，同時還要對電源各相進行精確的電壓檢測，當電源電壓不在指定的范圍內(nèi)運行時，必須進行自動切換。在基于PLC的雙電源開關(guān)的過程中，必須只能有一個電源與負載接通，且在一路電源故障時要實現(xiàn)自動切換。又由于在礦井緊急供電場所，各用電設(shè)備的總功率較大，必須使用發(fā)電機設(shè)備供電。那么根據(jù)設(shè)計要求，可設(shè)計總體結(jié)構(gòu)方案如下圖1-1所示：

在圖1-1中，A為主電源，B為備用電源，分別與PLC連接，作為PLC輸入檢測信號。首先進行主電源A的輸入檢測，當PLC檢測A無任意相缺相時，相應(yīng)的邏輯開關(guān)會閉合，使FX2N-4A/D接受經(jīng)過PLC基本單元檢測后傳過來的無缺相的電壓信號，則隨后進行A電源的三相回路欠壓檢測，如果此時主電源A良好的話，相應(yīng)的狀態(tài)指示燈會亮，說明此刻主電源狀態(tài)良好，同時主電源與負載接通。在主電源A出現(xiàn)故障后（即主電源A出現(xiàn)缺相或者欠壓時），此時會啟動發(fā)電機，使備用電源B啟動，同時主電源會自動斷開。備用電源B啟動后，同樣要進行三相回路的缺相檢測和欠壓檢測，檢測過程同A。檢測無故障后，隨即實現(xiàn)備用電源與負載的接通。

2 基于PLC雙電源開關(guān)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電氣控制方案設(shè)計

電氣控制過程的分析：如圖1-2的電氣控制過程圖中，KA1，KA2，KA3分別作為主電源A的三相檢測，當且有KA1，KA2，KA3線圈同時得到電時（即無任意相缺相時），才會驅(qū)動KM3線圈使觸點KM3閉合，從而進行A的三相欠壓檢測。又當三相欠壓檢測模塊FX2N-4A/D檢測到電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時，驅(qū)動KA4，使觸點KA4閉合，此時主電源狀態(tài)顯示燈HL1亮，說明此時A電源狀態(tài)良好，同時驅(qū)動KA5線圈，使觸點KA5閉合，允許電源A投入使用。而后KA5閉合時，使KM1得電，負載與電源A接通。其次，主電源輸入檢測回路（如圖1-2所示）中的常閉觸點KA5分別與發(fā)電機啟動控制回路中的延時繼電器線圈和備用電源檢測回路中的三相檢測回路相連接。目的是，如果主電源A狀態(tài)良好的話，那么常閉觸點KA5會得電斷開，同時發(fā)電機啟動控制回路中的延時繼電器線圈便不會得電，則不會啟動發(fā)電機；同時在備用電源檢測回路中的三相檢測回路也會由于KA5的作用，不會進行備用電源的輸入檢測，避免備用電源的誤動，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的連鎖保護作用。

2.2 PLC型號的選擇

目前，可編程控制器產(chǎn)品種類繁多，同一廠家也常常推出幾個系列產(chǎn)品，這就需要用戶去選擇最合適自己要求的產(chǎn)品。一般選擇機型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費。機型的選擇首先是可靠性過關(guān)的產(chǎn)品，其次可從以下幾個方面來考慮。

（1）輸入/輸出點

PLC平均的I/O點的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定的裕量。通常I/O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%～15%的裕量來確定。

（2）根據(jù)輸出負載的特點選型？

不同負載對PLC的輸出方式有相應(yīng)的要求。如，頻繁通斷的感性負載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC有許多優(yōu)點，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）而且電壓等級范圍大等。故動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的PLC。

（3）對？PLC？結(jié)構(gòu)形式的選擇？

PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便，在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。？

由以上幾個基本原則和對整天控制方案的分析可知輸入信號的觸點有KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8六個觸點，輸出信號的觸點有KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4六個觸點，查資料可知可選用FX2N-32MR基本單元，輸入和輸出點數(shù)分別為8個。

2.3 I/O口設(shè)計

控制狀態(tài)說明：當其三相任意相無缺相現(xiàn)象，且電壓的范圍在指定工作電壓的范圍之內(nèi)，此時狀態(tài)指示燈HL1亮，在此情況下，即使電源B狀態(tài)良好，也會因為B電源控制回路觸點KM1斷開的作用使B電源不會投入使用而A電源正常工作。如果A電源出現(xiàn)故障時，即在A電源控制回路的KM1線圈則不會得電，則連接在B控制回路的觸點KM1不會動作，使B投入使用。此后，如果A電源恢復(fù)正常的話，A電源控制回路KM1線圈得電，使電源B斷開。

系統(tǒng)外部連線電路設(shè)計作為輸入信號的KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8分別接在PLC的X0～X6，作為輸出信號的KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4分別接在PLC的Y0～Y6，對應(yīng)的接線如圖1-7所示。FX2N-4A/D在接受外部電路經(jīng)降壓和整流的電壓信號后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號傳送到PLC中，PLC在經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)字處理以實現(xiàn)電源的過壓與欠壓的檢測。

3 基于PLC雙電源開關(guān)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 流程圖設(shè)計

有主設(shè)計方案易知主電源檢測過程：PLC初始化→判斷電源A的輸入是否缺相→無缺相則進行電源A的過壓與欠壓檢測→無過壓與欠壓現(xiàn)象→主電源投入使用與負載接通。

備用電源的檢測過程：A有缺相或有過壓與欠壓現(xiàn)象時，經(jīng)延時后確認無誤后起動發(fā)電機→進行備用電源B的缺相檢測→進行備用電源B的過壓與欠壓檢測→無過壓與欠壓現(xiàn)象→備用電源投入使用與負載接通。

3.2 梯形圖設(shè)計

三相缺相檢測采樣信號中，作為U1和U2的三相缺相檢測的開關(guān)量采樣信號的KA1-KA3和KA6-KA8，其常開觸點分別作用于PLC的輸入端的XO-X2、X3-X5。在PLC梯形圖程序中，輔助繼電器Y0作為三相電源U1的三相缺相檢測，其接通條件為常開輸入點XO、X1和 X2的“與”邏輯；同理，內(nèi)部中間繼電器Y3作為三相電源U2的三相缺相檢測，其接通條件為常開輸入X3、X4和X5的“與”邏輯。

參考文獻：

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